CN106040928A - 特大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大型模锻件的锻造领域，公开了一种特大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺。该工艺采用包括如下步骤：预热坯料、涂刷防护润滑剂、加热坯料至锻造温度并保温、采用粘接剂将包套材料包裹于钛合金坯料外表面、热包套完成后将坯料重新装入电炉加热，加热至锻造温度后即可出炉锻造。该工艺操作简单，成本低廉，可以防止转运及生产过程中的坯料表面温度下降过快，确保模锻时坯料处于较高的始锻温度，有利于锻件的材料流动，有利于降低设备吨位，可以解决目前特大型钛合金整框模锻件生产中锻件充满不佳及组织性能不均匀的问题。

Description

特大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺
技术领域
本发明涉及大型模锻件的锻造领域，尤其是一种特大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺。
背景技术
钛合金具有锻造温度范围窄、变形抗力大、成形难等特点，钛合金模锻一般采用坯料加热后直接模锻的锻造工艺生产，在实际生产中，钛合金坯料从加热炉内夹出到压机上锻造，中间过程包含出炉转运、摆料和锻造，期间会由于辐射传热和接触传热等条件的影响，使得钛合金坯料温降很快，成型温度降低，从而导致锻件外形充满不佳、组织性能不均匀，严重影响锻件质量。
对于规格在(3700～4000)×(1700～2000)×(120～150)mm、投影面积5～7m2的特大型钛合金整框模锻件而言，投影面积大，成型时温降的影响更大，锻件成型抗力更大，整体成形难以充满，组织性能不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种特大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，防止转运及生产过程中的坯料表面温度下降过快，以解决目前特大型钛合金整框模锻件生产中锻件充满不佳及组织性能不均匀的问题。
本发明公开的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，包括如下步骤：
步骤一、准备钛合金整框模锻件生产用的坯料，将钛合金坯料在加热炉中预热；
步骤二、钛合金坯料预热后出炉，表面均匀涂刷防护润滑剂，并使坯料自然空冷；
步骤三、运行加热炉开始升温至锻造温度，把涂刷防护润滑剂的钛合金坯料放置到加热炉中进行加热，当加热炉到温后进行保温；
步骤四、按钛合金坯料外形准备好包套材料，将保温后的坯料出炉，采用粘接剂将包套材料包裹于钛合金坯料外表面，包套完成后将坯料重新装入电炉加热，加热至锻造温度后即可出炉锻造。
优选地，所述包套材料为硅酸铝纤维保温棉。
优选地，步骤四中，对钛合金坯料进行包套的方式如下：
预锻第一火包套用保温棉直接沿坯料外形裁剪后包套即可，在坯料经过第一火锻造之后剩余火次锻造中，采用包套专用工装进行热包套，所述包套专用工装外形与坯料外形相适配，并分别刻画有各火次的保温棉裁剪标识线，外轮廓比坯料多出坯料厚度尺寸的一半，在包套专用工装与坯料外轮廓对应位置上设置有限位块(5)；
采用包套专用工装对钛合金坯料进行包套的方式如下：
准备两块包套专用工装，对称摆放，将硅酸铝纤维保温棉铺在包套专用工装上，沿工装外形进行裁剪，然后在保温棉上表面均匀撒抹粘结剂；
将保温后热的坯料出炉，平放在粘有粘结剂的保温棉上，坯料通过限位块准确定位后利用自重与硅酸铝纤维保温棉压实，通过粘结剂迅速与坯料下表面粘牢固，然后将坯料翻面，迅速完成与另一块包套专用工装上的硅酸铝纤维保温棉的粘结，最后由人工采用耐高温手套完成侧面的保温棉与坯料粘结包套。
优选地，包套时，将热电偶固定在钛合金坯料与硅酸铝纤维保温棉之间，并将热电偶与记录仪相连，通过记录仪记录坯料表面加热到温的时间，仪表显示坯料表面达到锻造温度后即可以开始出炉锻造。
优选地，所述硅酸铝纤维保温棉厚度为15mm，所述钛合金坯料出炉锻造的转运时间为4.5min。
优选地，在步骤一之前，对钛合金坯料进行热包套工艺试验，从而确定包套材料、规格、包套方式、包套后的加热时间以及钛合金坯料出炉锻造的转运时间，具体过程如下：
a、准备多块规格相同钛合金试验块，在试验块上钻一个直达试验块中心的测温孔；
b、对钛合金试验块进行预热、涂刷防护润滑剂后自热空冷；
c、将钛合金试验块放置于加热炉中加热至锻造温度，当加热炉到温度进行保温，保温时间按试验块有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm计算；
d、在钛合金试验块保温时间段内，准备预选包套材料并撒抹粘接剂，当保温时间达到后，迅速取出钛合金试验块，将预选包套材料分别包裹于钛合金试验块外表面，包套完毕后，在钛合金试验块的测温孔和外表面分别设置热电偶，并将热电偶与记录仪相连；
e、将包套好的钛合金试验块放置于加热炉中加热，通过记录仪检测钛合金试验块中心温度和表面温度变化，得出钛合金坯料加热时间；
f、加热至锻造温度后，取出钛合金试验块进行自然空冷，通过记录仪检测钛合金试验块中心温度和表面温度变化，测量出不同包套材料、规格和包套方式条件下钛合金试验块冷却至锻造温度以下所需的时间，选取出适宜的包套材料、规格和包套方式并确定钛合金坯料出炉锻造的转运时间。
优选地，在步骤三中，预热温度为80～100℃，所述防护润滑剂为Ti-5玻璃润滑剂。
优选地，在步骤四中，加热炉到温后保温时间按坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm计算。
本发明的有益效果是：本发明所述的热包套工艺解决了目前特大型钛合金整框模锻件生产中锻件充满不佳及组织性能不均匀的问题，确保了特大型整框模锻件的整体成型，获得更好的成型质量及组织均匀性；本发明所述的热包套工艺可以确保模锻时坯料处于较高的始锻温度，有利于锻件的材料流动，有利于降低设备吨位，可以用小设备生产更大的锻件；本发明所述的热包套工艺成本低廉，操作简单，具有较好的经济性和实用性。
附图说明
图1是本发明中整框锻件模锻过程示意图；
图2是包套专用工装示意图；
图3是整框锻件预锻第二火包套示意图；
图4是整框锻件预锻第三火包套示意图；
图5是整框锻件终锻包套示意图。
在图1～5均仅表现了左半部分，其右半部分相对称，图中右侧竖向直线为对称轴。
附图标记：保温棉外侧剪标识线1，预锻第二火保温棉内侧裁剪标识线2，预锻第三火保温棉内侧裁剪标识线3，终锻保温棉内侧裁剪标识线4，限位块5，预段件外侧轮廓线6、预段件内侧轮廓线7，对称轴8，预锻第二火坯料9，预锻第三火坯料10，终锻坯料11。
具体实施方式
下面结合具体实施，对本发明作进一步说明。
在具体实施热包套工艺之前，需要进行热包套工艺试验，从而确定包套材料、规格、包套方式、包套后的加热时间以及钛合金坯料出炉锻造的转运时间，具体过程如下：
a、准备多块规格相同钛合金试验块，在试验块上钻一个直达试验块中心的测温孔；
b、对钛合金试验块进行预热、涂刷防护润滑剂后自热空冷；
c、将钛合金试验块放置于加热炉中加热至锻造温度，当加热炉到温度进行保温，保温时间按试验块有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm计算；
d、在钛合金试验块保温时间段内，准备预选包套材料并撒抹粘接剂，当保温时间达到后，迅速取出钛合金试验块，将预选包套材料分别包裹于钛合金试验块外表面，包套完毕后，在钛合金试验块的测温孔和外表面分别设置热电偶，并将热电偶与记录仪相连；
e、将包套好的钛合金试验块放置于加热炉中加热，通过记录仪检测钛合金坯料中心温度和表面温度变化，得出钛合金试验块加热时间；
f、加热至锻造温度后，取出钛合金试验块进行自然空冷，通过记录仪检测钛合金试验块中心温度和表面温度变化，测量出不同包套材料、规格和包套方式条件下钛合金试验块冷却至锻造温度以下所需的时间，选取出适宜的包套材料、规格和包套方式并确定钛合金坯料出炉锻造的转运时间。
下面以TC4-DT钛合金锻造为例，对热包套工艺试验进行说明。
材料为TC4-DT钛合金，试验块规格为200×200×150mm，数量3块。
在试验块上钻一个Φ8mm×75mm的孔。
准备好厚度分别为10mm、15mm和20mm的硅酸铝纤维保温棉，粘接剂，高温铠装热电偶6支，仪表记录仪。
把涂刷玻璃润滑剂的TC4-DT钛合金试验块放置到加热电炉中进行加热，电炉温度为960℃，当电炉控温偶到温后，保温时间按照0.5～0.7min/mm计算。
在保温时间到达以前，把三种规格的硅酸铝纤维保温棉提前放置在地面上，然后在保温棉上均匀的撒上粘结剂。当保温时间到达以后，把TC4-DT钛合金试验块出炉迅速放置在撒有粘结剂的保温棉上进行热包套。包套完毕以后，把准备好的热电偶一支插入钻好的孔中，一支插入到保温棉与试验块结合的表面，再用保温棉封堵间隙，然后把TC4-DT钛合金试验块重新放置到电炉中进行加热，炉外的电偶另一端连接仪表记录仪。
监控三种规格保温棉对应的试验块表面温度和心部温度变化。从试验结果看，当试验块表面到温时，试验块心部也同时到温。
把到温后的试验块出炉空冷，电偶仍然连接在试验块上用以监控冷却时表面温度和心部温度的变化。
从试验结果看，表面温降快于心部温降，但是空冷3分钟后，厚度为10mm的保温棉对应的试验块表面温度已降至900℃以下，空冷4.5分钟后，厚度为15mm的保温棉对应的试验块表面温度已降至900℃以下，空冷6.5分钟后，厚度为20mm的保温棉对应的试验块表面温度已降至900℃以下。综合考虑加热和冷却的因素，保温棉的厚度选取为15mm。通过该试验确定了TC4-DT钛合金热包套的保温棉厚度规格15mm、包套后的加热控制方式为表面到温即可出炉锻造，以及包套后坯料转运时间的控制要求为4.5分钟以内。
在热包套工艺试验完成后就可通过试验结果，在大型钛合金整框模锻件热成形过程中使用热包套工艺，其具体包括如下步骤：
步骤一、准备钛合金整框模锻件生产用的坯料，将钛合金坯料在加热炉中预热，以便于涂抹防护润滑剂，预热温度无需过高，优选为80～100℃；
步骤二、钛合金坯料预热后出炉，表面均匀涂刷防护润滑剂，并使坯料自然空冷，使防护润滑剂可以很好地附着于坯料表面，防护润滑剂可以起到防氧化及润滑的作用，防护润滑剂优选为Ti-5玻璃润滑剂；
步骤三、运行加热炉开始升温至锻造温度，加热炉到温后，把涂刷防护润滑剂的钛合金坯料放置到加热炉中进行加热，当加热炉到温后进行保温，加热炉到温后保温时间按坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm计算，锻造温度因坯料材质和锻造要求而定，以TC4-DT钛合金锻造为例，其加热温度为相变点以下20～40℃；
步骤四、按钛合金坯料外形准备好包套材料，将保温后的坯料出炉，采用粘接剂将包套材料包裹于钛合金坯料外表面，包套完成后将坯料重新装入电炉加热，加热至锻造温度后即可出炉锻造，包套材料优选为硅酸铝纤维保温棉。
整框锻件模锻过程如图1所示，由规则的方形坯料经过三火预锻和一火终锻共四火完成模锻。由于预锻第一火采用坯料形状简单，包套用保温棉直接沿外形裁剪即可，不需要工装。而预锻第二火、预锻第三火及终锻时坯料形状复杂，因此，需要采用包套专用工装以确保包套的稳定性和一致性。包套专用工装设计如图2所示，所述包套专用工装外形与坯料外形相适配，外轮廓比坯料多出坯料厚度尺寸的一半，也就是说坯料准确放置后，包套专用工装的轮廓线与坯料轮廓线之间的间距为坯料厚度尺寸的一半，以确保对应裁剪后的保温棉可以覆盖坯料侧面；在包套专用工装与坯料外轮廓对应位置上设置有限位块5，用于坯料的迅速准确定位。工装上刻有三条标识线，分别为预锻第二火、预锻第三火及终锻保温棉内侧裁剪标识线，即为预锻第二火、预锻第三火及终锻保温棉内侧裁剪的位置。而预锻第二火、预锻第三火及终锻坯料外侧轮廓差异不大，外侧保温棉裁剪位置按工装外侧轮廓裁剪即可。因此本工装为预锻第二火、预锻第三火及终锻包套的通用工装。采用该包套专用工装对钛合金坯料进行包套的方式如下：
在坯料于加热炉中进行保温的同时，准备工装2块，对称摆放。将硅酸铝纤维保温棉按照坯料外形按相应火次在工装上进行裁剪，在朝上的一面均匀撒抹粘结剂，预锻第二火、预锻第三火及终锻包套示意图分别为图3、4、5；
将保温后热的坯料出炉，平放在粘有粘结剂的保温棉上，坯料通过限位块5准确定位后利用自重与硅酸铝纤维保温棉压实，通过粘结剂迅速与坯料下表面粘牢固，然后将坯料翻面，迅速完成与另一块包套专用工装上的硅酸铝纤维保温棉的粘结，最后由人工采用耐高温手套完成侧面的保温棉与坯料粘结包套。
从前述包套试验可以看出当试验块表面达到锻造温度时，试验块心部也同时达到锻造温度，因此为便于再次加热时确定坯料达到锻造温度，将热电偶固定在钛合金坯料与硅酸铝纤维保温棉之间，并将热电偶与记录仪相连，通过记录仪记录坯料表面加热到温的时间，仪表显示坯料表面达到锻造温度后即可以开始出炉锻造，采用厚度15mm硅酸铝纤维保温棉包套，其出炉转运时间控制在4.5分钟以内。

Claims (8)

1.特大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、准备钛合金整框模锻件生产用的坯料，将钛合金坯料在加热炉中预热；
步骤二、钛合金坯料预热后出炉，表面均匀涂刷防护润滑剂，并使坯料自然空冷；
步骤三、运行加热炉开始升温至锻造温度，把涂刷防护润滑剂的钛合金坯料放置到加热炉中进行加热，当加热炉到温后进行保温；
步骤四、按钛合金坯料外形准备好包套材料，将保温后的坯料出炉，采用粘接剂将包套材料包裹于钛合金坯料外表面，包套完成后将坯料重新装入电炉加热，加热至锻造温度后即可出炉锻造。
2.如权利要求1所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于：所述包套材料为硅酸铝纤维保温棉。
3.如权利要求2所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于：
预锻第一火包套用保温棉直接沿坯料外形裁剪后包套即可，在坯料经过第一火锻造之后剩余火次锻造中，采用包套专用工装进行热包套，所述包套专用工装外形与坯料外形相适配，并分别刻画有各火次的保温棉裁剪标识线，外轮廓比坯料多出坯料厚度尺寸的一半，在包套专用工装与坯料外轮廓对应位置上设置有限位块(5)；
采用包套专用工装对钛合金坯料进行包套的方式如下：
准备两块包套专用工装，对称摆放，将硅酸铝纤维保温棉铺在包套专用工装上，沿工装外形进行裁剪，然后在保温棉上表面均匀撒抹粘结剂；
将保温后热的坯料出炉，平放在粘有粘结剂的保温棉上，坯料通过限位块(5)准确定位后利用自重与硅酸铝纤维保温棉压实，通过粘结剂迅速与坯料下表面粘牢固，然后将坯料翻面，迅速完成与另一块包套专用工装上的硅酸铝纤维保温棉的粘结，最后由人工采用耐高温手套完成侧面的保温棉与坯料粘结包套。
4.如权利要求3所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于：
包套时，将热电偶固定在钛合金坯料与硅酸铝纤维保温棉之间，并将热电偶与记录仪相连，通过记录仪记录坯料表面加热到温的时间，仪表显示坯料表面达到锻造温度后即可以开始出炉锻造。
5.如权利要求2所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于：所述硅酸铝纤维保温棉厚度为15mm，所述钛合金坯料出炉锻造的转运时间为4.5min。
6.如权利要求1所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于，在步骤一之前，对钛合金坯料进行热包套工艺试验，从而确定包套材料、规格、包套方式、包套后的加热时间以及钛合金坯料出炉锻造的转运时间，具体过程如下：
a、准备多块规格相同钛合金试验块，在试验块上钻一个直达试验块中心的测温孔；
b、对钛合金试验块进行预热、涂刷防护润滑剂后自热空冷；
c、将钛合金试验块放置于加热炉中加热至锻造温度，当加热炉到温度进行保温，保温时间按试验块有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm计算；
d、在钛合金试验块保温时间段内，准备预选包套材料并撒抹粘接剂，当保温时间达到后，迅速取出钛合金试验块，将预选包套材料分别包裹于钛合金试验块外表面，包套完毕后，在钛合金试验块的测温孔和外表面分别设置热电偶，并将热电偶与记录仪相连；
e、将包套好的钛合金试验块放置于加热炉中加热，通过记录仪检测钛合金试验块中心温度和表面温度变化，得出钛合金坯料加热时间；
f、加热至锻造温度后，取出钛合金试验块进行自然空冷，通过记录仪检测钛合金试验块中心温度和表面温度变化，测量出不同包套材料、规格和包套方式条件下钛合金试验块冷却至锻造温度以下所需的时间，选取出适宜的包套材料、规格和包套方式并确定钛合金坯料出炉锻造的转运时间。
7.如权利要求1所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于：在步骤三中，预热温度为80～100℃，所述防护润滑剂为Ti-5玻璃润滑剂。
8.如权利要求1所述的大型钛合金整框模锻件热成形用热包套工艺，其特征在于：在步骤四中，加热炉到温后保温时间按坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm计算。
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